Pożary eksperymentalne w FDS przewidywanie mocy pożaru na podstawie reakcji pirolizy 1. Wstęp. W znacznej większości symulacji oddymiania, tworzonych przy pomocy programu PyroSim, moc pożaru jest warunkiem brzegowym określanym przez użytkownika. Dzieje się tak, ponieważ projektant musi przyjąć najbardziej niekorzystne warunki podczas pożaru, w oparciu o które dobierane są odpowiednie systemy przeciwpożarowe. FDS posiada jednak możliwość obliczania rzeczywistej mocy pożaru, w zależności od wyposażenia pomieszczenia i właściwości konkretnych materiałów. Metoda ta, często jest wykorzystywana do przeprowadzania eksperymentów naukowych, dotyczących odtworzenia zaistniałych pożarów. W listopadowym numerze newslettera zajmiemy się eksperymentalną metodą wyznaczania mocy i przebiegu pożaru. 2. Zjawisko pirolizy. Podstawowym zjawiskiem, wykorzystywanym przy przewidywaniu rozwoju pożaru jest reakcja pirolizy, która najprościej mówiąc, polega na rozkładzie danego materiału pod wpływem temperatury. Zjawisko to jest więc związane z utratą masy, co w istocie powoduje wzrost mocy oddawanego ciepła, w zależności od ciepła spalania i ciepła reakcji materiału. Zjawisko rozkładu odbywa się po przekroczeniu pewnej wartości temperatury, która określana jest mianem temperatury aktywacji. Po jej przekroczeniu, rozpoczyna się reakcja pirolizy, która na wykresie przyjmuje - w przybliżeniu - postać odwróconej paraboli. Wierzchołek wykresu jest punktem w którym szybkość ubytku masy jest największa i jest określana, jako temperatura odniesienia. Istotnym parametrem jest również zasięg pirolizy, czyli zakres temperatury, w której odbywa się rozkład masy. Przebieg reakcji pirolizy jest inny dla różnych materiałów palnych. Wykres przykładowej reakcji pirolizy obrazuje poniższy wykres.
Rys.1. Przebieg przykładowej reakcji pirolizy. 3. Ustawienia parametrów w PyroSim Wszelkie ustawienia potrzebne do określenia reakcji pirolizy znajdują się w menu materiały, w zakładce piroliza. Pierwszym krokiem będzie wprowadzenie ciepła spalania materiału, a następnie określenie temperatury odniesienia i zasięgu pirolizy. Parametr szybkość ogrzewania pozostaje bez zmian, i oznacza warunki, w jakich zostało przeprowadzone realne badanie. Dane, które są nam potrzebne do symulacji muszą zostać wyznaczone eksperymentalnie. Na dzień dzisiejszy, jedynie niektóre materiały zostały opisane w sposób wystarczający dla naszej symulacji. W zakładce, zgodnie z cechami materiału, należy wprowadzić ciepło reakcji, oraz frakcje wytworzenia pary paliwowej i wodnej. Tak opisany materiał będzie się wypalał, czyli znikał z symulacji komórka po komórce (należy więc wybrać gęstą siatkę - maksymalnie 10cm).
Rys.2. Ustawienia reakcji pirolizy. Kolejnym krokiem będzie stworzenie dla zadanych materiałów odpowiedniej powierzchni warstwowej, a następnie zaznaczenie opcji pozwól przeszkodom na wypalanie się. 4. Przykład. Weźmiemy pod uwagę halę składującą palety drewniane ułożone w stosach, dla której chcemy sprawdzić przewidywaną moc pożaru. Aby podpalić drewno, należy stworzyć vent z przypisaną powierzchnią palnik. Następnie wprowadzamy moc zapłonu początkową moc palnika np. 200kW. Ustawiamy go pod drewnianym stosem. Aby pożar za szybko nie wygasł wprowadzono sporo otworów klap dymowych oraz okien napowietrzających. Poniżej znajdują się ustawienia reakcji pirolizy dla drewna (dane z podręcznika FDS).
Rys.3. Ustawienia reakcji pirolizy dla drewna. W ten sposób płomienie będą stopniowo zajmować kolejne fragmenty materiału palnego. Po pewnym czasie poszczególne elementy będą wypalać się zgodnie z zadanym przebiegiem reakcji pirolizy, inaczej mówiąc będą one usuwane z domeny obliczeniowej. Rys.4. Rozprzestrzenianie się ognia po stosie drewna.
Po pewnym czasie płomienie będą również przenoszone na kolejne stosy na drodze promieniowana. Trzeba pamiętać, że jest to możliwe wyłącznie w przypadku pożarów dowentylowanych. Rys.5. Pożar zaczyna rozprzestrzeniać się na sąsiedni stos palet. Moc pożaru jest wartością wynikową. Program sam przelicza szybkość wydzielania ciepła na podstawie wzoru: Gdzie: Ȯ - Szybkość wydzielania ciepła [kw] ṁ - szybkość ubytku masy [kg/m 2 s] H comb - Ciepło spalania [MJ/kg]
Rys.6. Wykres przedstawiający wynikową moc pożaru. 5. Wnioski. Wykorzystanie zjawiska pirolizy to dobra metoda do przeprowadzania symulacji pożarów eksperymentalnych. Stosuje się ją w celu odwzorowania pożarów, które już wystąpiły oraz wstępnego szacowania mocy pożaru, która może wystąpić w danym obiekcie. Zaletą tej metody jest bliższa zgodność symulacji z rzeczywistością, gdyż uwzględnia ona szereg parametrów składowanych materiałów oraz powierzchnię ich składowania. Niestety w podręczniku FDS znajdują się parametry tylko dla niektórych materiałów co powoduje, że metoda ta nie może być na razie stosowana na szerszą skalę. Będzie ona jednak sukcesywnie uzupełniana w przyszłości. mgr inż. Wojciech Nocula W następnym odcinku: Współpraca instalacji tryskaczowej z systemem oddymiania grawitacyjnego. Współpraca instalacji gaśniczej i oddymiającej to jedna z problematycznych kwestii projektowania współczesnych systemów przeciwpożarowych. W następnym odcinku zweryfikujemy na konkretnych przykładach, jaki wpływ na siebie, ma jednoczesne działanie tych dwóch rodzajów instalacji.